나사 및 볼트 체결 이론과 실무

◇ 볼트체결의 목적

 ■금속과의 연결, 연결에 대한 지침은 없음

 ■진동/충격/전단하중/풀림문제

 

◇볼트체결원리

 ■인장/탄성과 같은 스프링력 존재

 ■초기하중/조임력

 ■총 하중은 탈출하려는 압력보다 커야함 

 

◇초기하중의 개념

 ■체결력을 100으로 가정할 경우 90의 힘이 인가되면 체결력유지 그렇지 않으면 풀림시작

 ■초기하중은 체결력을 유지하기 위한 최소힘

 ■큰나사6개 vs 작은나사12개 (체결력은 모두가 같다는 가정)

  ㆍ에러발생에 초점을 맞춘다면 나사의 갯수가 많은 것이 좋음

  ㆍ안전상의 이유로 권장함

 ■볼트길이가 길면 좋은가???

  ㆍ볼트길이가 길면 좋음: 체결력은 같으나, 탄성영역안에서 변형율의 절대적인 길이가 길기때문에 더 많은 변위를 견딜 수 있음

  ㆍ충격시험과 같은 예시에서는 볼트길이가 길수록 탄성영역의 변위가 길기때문에 유리함

 

◇표준나사의 진화

 ■영국에서 나사대량생산 시작 Eng 1841 (나사산 55도)

 ■USA 1864 (나사산 60도) 

 

◇미터법 볼트

 ■8.8, 10.9: 첫번째 숫자는 최대인장 강도, 두번째 숫자는 항복강도가 인장강도의 몇 퍼센트 인지를 나타냄

 

◇인치법 볼트

 ■SAE 등급8, 등급5..

 ■ASTM-B7: 파이프 등에 사용 

 

◇와셔

 ■주로 볼트 헤드와 너트 페이스 아래에 사용

 ■하중분산(연결부 강성 증강)

 ■(상대소재)매립과 같은 손상

 ■(체결부의)일괄된 마찰계수 제공

 ■풀림방지 역할

 

◇너트

 ■압축을 받으며 일반적으로 나사산 마모로 인해 파손됨

 ■너트와 볼트는 나사산 마모가 아니라 볼트가 인장파손이 먼저 일어 나도록 설계됨 >> 문제인식이나 해결이 빠르게 하기 위함

 ■10.9볼트, 8.8볼트를 섞어서 사용가능한가?

  ㆍ별 문제는 없으나, 고려될 상황은 아님

 ■헬리컬 코일과 체결력의 관계는?

  ㆍ체결력에는 도움이됨, 헬리컬 코일이 모재에 조립될 때 인장되면서 조립되는데 이 효과로 하중이 균일하게 분산되고 체결 면적이 늘어나는 효과가 있음

 ■평 와셔 방향은 어디가 앞인가?

  ㆍ전자회사에 적용됨, 결론은 상관없음, 프레스 가공상 발생하는 현상임, 일반적으로는 R있는 부분이 위로 가는 것을 선호함. 소비자에게 보이는 부분이고, 아랫쪽이 R이 없어서 접촉면이 늘어나므로 \

 

◇체결토크

 ■인장력을 중심으로 봐야함

 ■초기하중은 가해진 토크에 비례한다.

 ■볼트재료의 항복점-최대인장강도-볼트나사산에"네킹"발생-볼트파손의 순으로 조임력에 따른 볼트에 가해지는 preload가 변함

 ■일반적으로 볼트는 가해지는 응력이 항복강도의 40%~70%사이에 들어가도록 토크를 가함 (이는 모재가 충분히 강하다는 가정임)

  ex)볼트 항복점: 600 lb-ft, 조임 토크 범위: 240~420 lb-ft

 ■토크직경, 볼트강도, 필요텐션(초기하중), 나사산 피치

 ■나사산의 호칭지름: 0.5계열(전자회사), 1.8계열(자동차 엔진 등), 2.4계열(건설)

 ■T=(K D F) / 1000 (미터나사)

 ■토크(T), 마찰계수(K)-회전하기가 얼마나 힘든가를 뜻함, 공칭직경(D), 하중(F)

 ■마찰계수: 0.2=K/1000 일반화 하여 사용 

 

◇체결시의 윤활

 ■윤활제는 동일한 토크텐션에 유리하여 체결력에 더 유리함, 풀림과는 무관함

 ■강철위에 강철을 밀때는 마찰계수가 높아짐

 ■건조한 경우 30%, 오일적용 20%, 그리스10% 

 

◇체결토크 예시

 ■리테이너 체결토크

 ■볼트 체결 간격

  ㆍ일반적: 모서리지점+중간지점

  ㆍ단점: 볼트가 많은 부분의 마찰력이 적게 적용된 변보다 마찰력이 높아짐

  ㆍ보완: 면적을 고려하여 볼트간극을 설정, 단점은 모서리 부분이 들뜸발생, 이론적인 내용임

  ㆍ아이디어: 모재의 형태를 볼트의 간극에 유리하게 직사각형, 원형 등이 아닌 형태로 하는 것도 방법임

 ■적정 사이즈 볼트를 찾는 방법

  ㆍ인장하중=허용응력X볼트의 유효단면적

  ㆍ볼트의 유효단면적=인장하중/{유효단면적(=항복응력/안전율)}

 

◇체결패턴

 ■볼트는 한쪽을 체결하면 반대쪽은 간극이 발생함, 그러므로 체결은 상호유관성이 있고 조립에 반영해야 함

 ■순서에따라, 점차적으로 체결필요함

Plus 4 체결방식

  ㆍASME 승인내용 Plus4 방식: Pass1(20~30%), Pass2(50%~60), Pss3(100%), Pass4 (check)

 

사각형 체결의 Plus4 체결방식

  ㆍ사각형 체결: 중심에서 밖으로 나가는 방식

◇볼트풀림

 ■볼트의 알맞은 초기하중 적용

 ■목표토크, 텐션, 늘어남 점검, 토크드라이버의 문제가 없다면 볼트체결에 대한 볼트자체 문제의식은 불필요

 ■과도한 조임력으로 인한 볼트 손상은 우려필요함

 ■볼트 풀림은 원인이 아닌 문제의 "증상"임

  ㆍ볼트 연결부는 볼트가 해결할 수 없는 정렬불량으로 문제가 발생하는 "시스템"

  ㆍ볼트는 연결부의 정렬도구가 아님

 ■증상예시

  ㆍ매립: 하중과 마모로 대상표면이 다듬질 되고 안정화됨>>와셔사용으로 해결

  ㆍ개스킷 크리프: 최초 하중적용 후 4시간 후에 다시체결

  ㆍ너트아래부분의 이물질

 

◇볼트풀림(진동 및 전단하중)

 ■볼트가 진동으로 풀리는 것은 축방향 하중이 아니라 반복되는 전단하중(표면이 서로미끄러짐)임

 ■진동이 심할 경우 가는 나사를 사용하여 마찰력으로 높임

 ■주기적인 진동상황에서 스프링와셔는 진동에 불리함→빈공간이 더 생기기때문에 불리함

 

◇Junker 진동시험기계

 ■융커 진동시험 기계 시험결과 스프링와셔가 풀림에 악영향임

 

◇열변화

 ■볼트와 연결부가 모두 동시에 같은 비율로 수축/팽창 한다면 볼트가 초기 하중을 잃지 않을 것

 ■볼트가 보다 큰 구멍에 체결되기 때문에 플랜지가 가열되거나 냉각될 때 볼트의 가열 또는 냉각 속도는 느려짐

 ■가열되는 동안 볼트가 연결부만큼 빠르게 팽창하지 않으면 단기간 동안 과도한 하중으로 인해 파괴현상이 발생

 ■냉각되는 동안 볼트가 보다 느리게 냉각되면 연결부가 그 아래에서 수축될 때 단기간 동안 하중이 소실됨